CN103192603B - 液体喷头、液体喷头的制造方法及喷墨式记录装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种液体喷头、液体喷头的制造方法及喷墨式记录装置，所述液体喷头至少具有：聚合物基底、聚合物振动板、压力腔室和压电元件，其中，所述聚合物振动板与聚合物基底为微注塑一体成型结构，该聚合物振动板上设置有压电元件，该聚合物基底上设有供液腔；所述压力腔室设于聚合物振动板上，并且使聚合物振动板和压电元件位于压力腔室内；所述压力腔室能与供液腔相导通，并具有液体喷孔。本发明通过微注塑成型技术得到振动板与基底的一体结构，利于解决现有技术中该液体喷头制造工序繁多，工艺复杂的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种液体喷头及其制造方法，该液体喷头适用于使用压电体元件作为喷出墨水的驱动源的喷墨式记录装置。
背景技术
作为液体喷射装置的实例，例如，通过向与对应打印信号的喷嘴连通的压力发生室(也称压力腔室或液体腔室)内的墨水施加喷出能量而使墨水从喷嘴开口喷出墨水滴的喷墨式记录装置，对其中设置的喷墨式记录头的设计和制造是完成整体装置的关键之一。搭载在此喷墨式记录装置上的喷墨式记录头大致有两种，一种是在压力发生室内设置了发热元件(例如由驱动信号产生焦耳热的电阻线等)，并利用这种发热元件产生的气泡从喷嘴开口喷出墨水滴的记录头；另一种是压电振动式记录头，振动板构成了压力发生室的一部分，控制压电元件的动作而驱动此振动板变形导致压力发生室体积变化，由于压力腔室中填充墨水，此时墨水滴就会从喷嘴孔中喷出而执行打印指令。
利用压电元件作为致动器，控制墨水喷出的喷液头(也称记录头)，主要有以下两种类型，一种是压电元件和振动板部分构成与排出墨滴相应喷嘴孔连通的压力产生腔室，通过压电元件和振动板的变形，使得压力产生腔室体积发生变化，从而把墨水从喷嘴孔喷出(例如中国专利申请CN02105630.7的记载)。另外一种是在硅基板上设置喷液孔和蚀刻出压力腔室，且压电元件和振动板以悬臂梁的形式设置在压力腔室内的喷液头，执行打印时，压电元件在施压下产生体积变化，通过振动板引起压力腔室体积变化，由于压力腔室中填充墨水，此时墨水会从喷液孔中喷出而完成打印，例如日本专利申请平2-194960中记载的结构。
压电型的喷墨打印头中，作为喷出液体或墨水的驱动源、即电气-机械变换元件，一般使用由PZT构成的压电元件。
图1是显示上述后者类型的喷墨打印头的结构的一个实施例的结构示意图。图1显示了头基台12、共用电极(振动板)29、压电元件32、压力发生室33，设置有墨水喷出口13的喷嘴板35、墨水供给口36，储存器(reservoir)37以及墨水容器口38，其它组成包括未图示的布线图形、信号电路、墨水容器等。这种常见结构的喷墨打印头一般是通过应用光刻技术的工序来制造。
例如图2(a)-图2(f)简单地示例一种具体的制造工序(以图1中的A-A’的剖面图来示出)，该制造过程描述如下：
如图2a所示，在表面上形成了热氧化膜40的硅衬底(晶片)39上依次形成共用电极29、压电体薄膜30和上电极31；
如图2b所示，在上电极31上形成抗蚀剂层15，并通过掩模按照预定的图形进行曝光、显影，对抗蚀剂层15进行图形刻蚀；
如图2c所示，以图形化的抗蚀剂层15作为掩模对压电体薄膜30和上电极31进行刻蚀后，剥离抗蚀剂层15，得到压电元件32；
如图2d所示，在与形成了压电元件32的相反的面上再次形成抗蚀剂层15，并通过掩模按照预定的图形进行曝光、显影，对抗蚀剂层15进行图形刻蚀；
如图2e所示，将该图形化抗蚀剂层15作为掩模对氧化膜40和硅晶片39进行刻蚀，形成墨水压力腔室构造33，经剥离抗蚀剂层15，即可得到头基台12；
如图2f所示，将在对应于墨水压力腔室33的位置上形成了墨水喷口13的喷嘴板35通过粘接层等接合(粘接)到制造的头基台12的各墨水压力腔室壁上，并按照设计要求形成布线图形、信号电路、墨水容器等，就得到了喷墨打印头。
日本专利申请平2-1844447中公开了一种悬臂梁式的压电喷墨头，为了提高打印分辨率，其振动板是在切割作用下处于分离状态时与基板相接合，即，振动板为具有一个活动端的悬臂梁结构，也称压电悬臂梁结构。另外，压电桥式梁结构因为能提供更大的变形量，也在液体喷头制作中被使用。可以理解，该振动板的设置操作需要较高的精度和牢固度。
以上所述只是关于这类喷墨打印头制造工艺的众多现有技术的举例，所有公开技术中都需要通过专门的处理实现振动板的设置，振动板的加工和设置，是喷墨头生产中重要的环节之一，为了满足打印质量的要求，尤其是获得较高的打印分辨率，这些都对振动板的设置提出了更高的要求。近年来，随着个人计算机的发展，喷墨打印机正在迅速地得到普及，那么，降低打印头的成本和提高打印分辫率，已经成为打印机制造业所面临的必不可少的课题。
总之，作为喷墨打印机的核心部件，头基台的制造需要经过非常多的工序，仍然沿用这样的工序，要大幅度地降低成本显然是不容易的。另一方面，繁多的制造工序不仅影响了大批量生产的实现，也不利于保证和控制制品的质量。
发明内容
本发明提供一种液体喷头，其中的振动板与基底为聚合物材料一体微注塑而形成，在简化了制造工艺的同时，也利于保证大批量生产中对质量的控制。
本发明还提供了所述液体喷头的制造工艺，通过微注塑成型技术得到振动板与基底的一体结构，利于解决现有技术中该液体喷头制造工序繁多，工艺复杂的问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种液体喷头，至少具有：
聚合物基底、聚合物振动板、压力腔室和压电元件，其中，所述聚合物振动板与聚合物基底为微注塑一体成型结构，该聚合物振动板上设置有压电元件，该聚合物基底上设有供液腔；所述压力腔室设于聚合物振动板上，并且使聚合物振动板和压电元件位于压力腔室内；所述压力腔室能与供液腔相导通，并具有液体喷孔。
本发明提供的该液体喷头可以用于喷墨打印机的压电型喷墨打印头。
本发明还提供了设置有所述液体喷头的液体记录装置，尤其是喷墨式打印机。
本发明还提供上述液体喷头的制造方法，所述方法包括：
将聚合物材料置于微注塑成型机，制成所述聚合物基底与聚合物振动板的一体成型结构，且聚合物基底具有供液腔；
在聚合物振动板上形成压电元件；
在聚合物振动板上形成压力腔室，该压力腔室与供液腔相导通，并使聚合物振动板和压电元件位于该压力腔室内；
在压力腔室上设置喷嘴板，并使该喷嘴板上开设有液体喷孔。
在本发明提供的实施方案中，振动板通过微注塑成型技术与聚合物基底成为一体结构，由于二者的一体成型而使整个液体喷头的制造工艺被简化，并且振动板与基底的一体结构也保证了振动板的设置强度和精度，在简化了制造工艺、降低生产成本和生产周期的同时，提高了产品生产的质量，更适合于大批量工业化生产，以满足市场对喷墨打印装置，尤其是高分辫率喷墨打印机的需要。
附图说明
图1为现有技术中常见的喷墨打印头的结构示意图；
图2a-图2f示例了现有技术中压电型液体喷头的制造工序；
图3为本发明实施例的液体喷头的结构示意图；
图4为本发明一个实施例中用于对振动板和聚合物基底实施微注塑成型的模具结构示意图；
图5为本发明一个实施例脱模后的聚合物基底与振动板的结构图；
图6为本发明另一实施例中用于对振动板和聚合物基底实施微注塑成型的模具结构示意图；
图7为本发明另一实施例脱模后的聚合物基底与振动板的结构图。
图中标记说明：
101、101'：定模； 102、102'：动模； 103、103'：模腔； 104、104'：聚合物基底； 105、105'：聚合物振动板； 106、106'：供液腔； 107：供液通道； 108：液体喷孔； 109喷嘴板； 110：压力腔室(也称液体容纳腔)； 111：上电极； 112：压电层； 113：下电极； 114：振动板活动端。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明的实施方案作进一步的说明，但不能作为对本发明实施范围的限制。
如前所述，本发明提供的液体喷头，聚合物振动板与聚合物基底为一体成型结构，其具体结构可以根据设计要求选择相应的模具，经注塑成型。例如，可以通过模具的选择得到悬臂梁或桥式梁结构，最终成为压电悬臂梁结构或压电桥式梁结构的液体喷头，它们的具体结构和特点在本发明之前已经有记载，因此不再赘述。
在一个具体实施方案中，所述聚合物振动板与聚合物基底可以是经微注塑一体成型为悬臂梁结构，并通过该聚合物振动板的活动端与聚合物基底间的供液通道使供液腔与压力腔室相导通。
或者，作为另一个具体实施方式，所述聚合物振动板与聚合物基底还可以是经微注塑一体成型为桥式梁结构，该聚合物振动板具有能使供液腔与压力腔室实现导通的供液通道。
该聚合物振动板的作用原理与现有技术相同，所以，其结构不限于以上所述。
供液腔作为储液室同时向压力腔室中提供墨水，位于聚合物基底上，具体是位于振动板下方，或者说聚合物振动板位于供液腔与压力腔室之间，并且供液腔与压力腔室通过适当的设置实现相导通。本发明的具体实施例中，供液腔也可以是在聚合物振动板与聚合物基底的微注塑成型过程中形成，即，所述供液腔为聚合物基底与振动板注塑成型时形成。
微注塑成型技术是一项有着十几年历史的新兴技术，已经可以进行重复的批量生产复杂而有精密微细结构的塑件。按照行业标准和规范定义，微注塑成型与常规注塑成型技术的区别在于，微注塑成型技术是指所成型的塑件重量以mg为计量单位，塑件几何尺寸以um为量度单位的成型技术。与常规注塑成型技术一样，微注塑成型技术包含微型注塑模具与微型注塑机两部分。本发明将该技术应用到对液体喷头的加工，解决了目前制造喷墨头工序复杂，实现稳定和批量生产难度高的问题。
对于聚合物振动板和聚合物基底的微注塑成型的具体工艺，完全可以按照目前已经有成熟的研究和应用记载来实施，包括对用于形成振动板和基底的聚合物材料选择，微注塑成型中原材料的塑化、注塑及成型的工艺参数的确定等，对于了解液体喷射装置和注塑成型基础知识的人员来说，都可以通过适当的实验摸索而确定。例如，除了常规的微注塑成型操作外，考虑到所制造的液体喷头用于喷墨打印头，应该选择耐墨水腐蚀、耐高温、具有良好的韧性和耐疲劳性且机械强度高的聚合物材料实施微注塑成型。
在本发明的一个具体实施例中，所述聚合物基底和聚合物振动板是利用主链含炔基的聚碳硅烷材料经热交联反应而成，或者选择其它可通过热交联反应而成型的聚碳硅烷材料、或者性质相似的材料。
图3为本发明一个具体实施例的液体喷头的结构示意图，如图所示，该液体喷头具有：聚合物基底104，聚合物振动板105，压力腔室110(也称液体容纳腔室)和压电元件，可以看到，聚合物振动板105与聚合物基底104经一体注塑成型为悬臂梁结构，并同时在聚合物基底上形成供液腔106，聚合物振动板105上设置压电元件，包括下电极113、压电层112和上电极111，成为压电式悬臂梁；压力腔室110设于聚合物振动板上，且该聚合物振动板105及压电元件均位于压力腔室110内；聚合物振动板105的悬臂梁活动端与聚合物基底之间具有间隙，即，提供供液腔106与压力腔室110导通的供液通道107，压力腔室110上还设有喷嘴板109，并开设有液体喷孔108。
本发明的液体喷头可以采用标准规格的微注塑成型机(可以商购)，通过微注塑成型技术得到振动板与聚合物基底的一体结构，在此基础上按照通常的工艺，进一步完成压电元件、压力腔室及喷嘴板和液体喷孔的设置，既完成了液体喷头的制造过程。
所述微注塑成型机，例如但不限于，Dr.BOY公司(德国)生产的全液压驱动式BOY12A/M(129-11)型微注塑成型机，其螺杆直径为12mm，L/D为18：1，最大注射量为4.5cm3，合模力129KN，最大注射压力位245MP。
根据振动板和聚合物基底的结构要求，选择或加工合适的注塑模具对于该行业技术人员也是很容易实现的。例如，图4示意了一种用于制造所述悬臂梁结构振动板的注塑模具，由定模101和动模102构成，定模与动模合模后，形成模腔103，可以理解，注塑材料成型，脱模后，即可得到图5所示的聚合物基底104与聚合物振动板105的一体结构，聚合物振动板105以悬臂梁形式连接于聚合物基底104上，其活动端与聚合物基底之间留有供液通道107。该微注塑成型过程可以利用成熟的UV-LIGA等MEMS(微机电系统)工艺成型。
实施例1
该液体喷头的制造工艺可以包括以下步骤：
原料，选取主链含炔基的聚碳硅烷作为微注塑成型的材料，该聚碳硅烷的基本结构为(式中R1＝R2＝Ph或R1＝Ph，R2＝Me)，该材料为长度1-2mm，直径1mm左右的圆柱状颗粒；
微注塑成型，将上述颗粒状的聚碳硅烷加入到BOY12A/M(129-11)微注塑成型机中成型为注塑坯，注塑成型过程中微注塑成型机料筒的温度加热到135-150℃，微注塑压力为30-100MPa；
交联聚合，控制微注塑成型的模具的温度在200-450℃，使得聚碳硅烷中的炔基发生热交联反应而成型；
脱模：将成型的塑件脱模，得到如图5所示的聚合物基底与聚合物振动板的一体结构，其中聚合物振动板105以悬臂梁形式一体成型于聚合物基底104上，聚合物振动板105与聚合物基底104之间形成供液腔106，并设有供液通道107；
通过溶胶-凝胶法在振动板上依次设置下电极113、压电层112和上电极111，形成压电元件；
利用光刻蚀技术，在聚合物振动板上面形成压力腔室110以及喷嘴板109，使聚合物振动板105及其上的压电元件都位于压力腔室110中，并在喷嘴板109上刻蚀出液体喷孔108，得到图3所示的液体喷头。
可以看出，通过以上步骤可以简单地成型制造出液体喷头，作为喷墨打印机的压电式打印头，大大的减少了制造工序，降低了生产成本，而且利用微注塑成型得到的振动板与基底的精确度更有利于大批量生产。
上述液体喷头可以用于喷墨式记录装置，例如图1所示，与驱动电路、储液盒、支撑架、外壳、连线等部件组合，可以构成完整的液体喷射装置或集成化的液体喷头，例如喷墨式打印机。执行打印或记录操作时，在压电原件的上电极111和下电极113之间施加电压，压电层112因压电效果而变形，此时产生瞬间的应力作用于聚合物振动板105，聚合物振动板105的活动端114向箭头a所示的方向移动，此时，液体容纳腔110内压力减小，液体通过供液腔106流进液体容纳腔室110。同时，聚合物振动板105的悬臂梁结构决定了其有着很强的刚性，所以其尺寸变化是受限的，致使电压解除时产生一个使聚合物振动板105朝b方向弯曲的弯矩，从而墨滴从液体喷孔108被喷出，完成在打印载体的打印或记录。
实施例2
液体喷头的制作步骤及微注塑材料均与实施例1相同，只是将振动板与聚合物基底的一体结构由悬臂梁结构换成了桥式梁结构。
微注塑成型工艺采用图6所示的模具，如图6所示，该模具由定模101'和动模102'构成，定模与动模合模后形成模腔103'，脱模后的塑件如图7所示，为桥式梁结构，聚合物振动板105'跨设于聚合物基底104'上，即两端被聚合物基底固定支撑，中间部分为桥状结构而不受制约，提供相对更大的变形量，下部形成供液腔106'，并且该聚合物振动板105'的适当位置具有与供液腔相导通的供液通道(图中未示)，该供液通道的形式可以是聚合物振动板上的微孔、也可以是位于聚合物振动板两侧的槽孔等，当然，按照第一实施例相同的方法设置的压力腔室也通过该供液通道与供液腔106'相导通。
本实施例得到的液体喷头的结构及工作原理和特点，均可参考实施例1的叙述。
综上所示，如前所述全部通过应用光刻技术的工序来制造的打印机喷头，其制造工艺复杂、成本高、周期长且工艺不稳定，构件质量受微细加工工艺影响较大，不适于大批量生产，不能实现一体成型。针对以上问题，本发明采用一种微注塑成型的方法，制造成本大幅下降，生产周期大为下降，成型工艺简单，构件质量易于保证，适合大批量生产。
Claims (12)
1.一种液体喷头，至少具有：聚合物基底、聚合物振动板、压力腔室和压电元件，其中，所述聚合物振动板与聚合物基底为微注塑一体成型结构，该聚合物振动板上设置有压电元件，该聚合物基底上设有供液腔；所述压力腔室设于聚合物振动板上，并且使聚合物振动板和压电元件位于压力腔室内；所述压力腔室能与供液腔相导通，并具有液体喷孔。
2.根据权利要求1所述的液体喷头，其中，所述聚合物振动板与聚合物基底经微注塑一体成型为悬臂梁结构，并通过该聚合物振动板的活动端与聚合物基底间的供液通道使供液腔与压力腔室相导通。
3.根据权利要求1所述的液体喷头，其中，所述聚合物振动板与聚合物基底经微注塑一体成型为桥式梁结构，该聚合物振动板具有能使供液腔与压力腔室实现导通的供液通道。
4.根据权利要求1-3任一项所述的液体喷头，其中，所述聚合物基底和聚合物振动板是利用主链含炔基的聚碳硅烷材料经注塑而成。
5.根据权利要求1-3任一项所述的液体喷头，其中，所述供液腔为聚合物基底与聚合物振动板微注塑成型时形成。
6.根据权利要求1-3任一项所述的液体喷头，该液体喷头为用于喷墨打印机的压电型喷墨打印头。
7.权利要求1-6任一项所述液体喷头的制造方法，所述方法包括：
将聚合物材料置于微注塑成型机，制成所述聚合物基底与聚合物振动板的一体成型结构，且聚合物基底具有供液腔；
在聚合物振动板上形成压电元件；
在聚合物振动板上形成压力腔室，该压力腔室与供液腔相导通，并使聚合物振动板和压电元件位于该压力腔室内；
在压力腔室上设置喷嘴板，并使该喷嘴板上开设有液体喷孔。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其中，采用主链含炔基的聚碳硅烷材料作为微注塑原料，微注塑过程中，控制微注塑成型机的料筒温度135-150℃，微注塑压力为30-100MPa，控制微注塑成型模具的温度200-450℃。
9.根据权利要求7或8所述的制造方法，其中，利用溶胶-凝胶法在聚合物振动板上形成压电元件。
10.根据权利要求7或8所述的制造方法，其中，利用光刻蚀技术在聚合物振动板上形成压力腔室。
11.一种喷墨式记录装置，其中设置有权利要求1-6任一项所述的液体喷头。
12.根据权利要求11所述的喷墨式记录装置，该记录装置为喷墨式打印机。
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